JP2011216798A - 変換器用変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】変圧器のコスト上昇を抑制しつつ、変換器の高調波多重位相運転時の局所過熱を抑制し損失低減することができる変圧器を提供する。
【解決手段】１相分の変換器用変圧器は、磁性鉄心と、この磁性鉄心の周囲に巻回された変換器側巻線とを備え、多重位相運転を行なう複数の交流／直流変換器に接続されて使用され、１つの交流／直流変換器に接続される１つの変換器側巻線は、複数の巻線ブロックから構成されていると共に、多重位相運転を行なう複数の交流／直流変換器に接続された複数の変換器側巻線の複数の巻線ブロックは、互いに隣接する位置に異なる交流／直流変換器に接続された巻線ブロックを配置した部分を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は電圧や電力変換に用いられる変換器用変圧器に関し、特に交直変換システムに用いられる変換器用変圧器に関する。

インバータ等の電力変換器を用いて、直流と交流の間での変換を行なう交直変換システムにおいては、変換器の耐圧上の問題や容量の制約から、通常は変換器を複数台用いて電圧や容量を分担する構成となっている。

交直変換システムで使用される変換器用変圧器は、変換器と接続される直流側巻線で鉄心を励磁し、交流側巻線に交流電圧を誘導する。また、変換器用変圧器では、複数台の変換器に対して、変換器と接続される直流側巻線を並列多巻線構成とすることが一般的であり、周波数変換所のような高電圧大容量システムでは、複数台の変換器用変圧器を設置して、各変圧器の直流側巻線を並列に、交流側巻線を直列に接続するような運転形態が用いられる。

一方、工場や商業施設などの配電系統を対象とした低電圧中小容量システムで用いられる変換器用変圧器では、小型軽量化のために、図１１に示すように変換器用変圧器を構成することが多い。

つまり、図１１において、変圧器は、磁性鉄心５と、この磁性鉄心５の外周に巻回された直流側巻線２、３と、この直流側巻線２、３の外周に配置された交流側巻線１とを備えている。第１の直流側巻線２と、第２の直流側巻線３は、それぞれ異なる交直変換器に接続されている。また、磁性鉄心５の外側には、磁性鉄心５を保持するため、金属製の鉄心当板４が配置されている。

更にこの時、並列接続される直流側巻線２および３における励磁特性のばらつきを無くすため、各直流側巻線２および３は、略同一寸法の巻線ブロックとして構成され、同一鉄心脚５の上下方向に配置される。

尚、関連する技術として特許文献１がある。

特開平９−１２０９１９号公報

交直変換システムでは、変換器動作によって発生する高調波電流が交流系統側へ流入することを防ぐため、高調波除去用フィルタを使用する代わりに、複数台の変換器を、各高調波成分が打ち消し合うような多重位相で運転する方法が取られることがある。

上記特許文献１に開示の変換器用変圧器においては、複数の直流側巻線２および３を同一鉄心脚５の上下方向に配置することで小型軽量化を実現しているが、変換器の高調波多重位相運転時には、直流側巻線２および３にそれぞれ逆位相の高調波電流２２および２３が印加されることになる。

そのため、直流側巻線２および３の周囲に発生する高調波漏れ磁束３２および３３は、互いに逆向きとなるが、直流側巻線２と３の間においては同じ向きとなって互いに強めあう。

その結果、直流側巻線２と３の間の位置に面して配置される鉄心当板４には、直流側巻線２および３で発生するほぼ全ての高調波漏れ磁束が重畳して流入するため大きな渦電流が誘導されることになり、損失の増加や局所過熱などの問題があった。

これを避けるため、鉄心当板４の材質を絶縁物や高抵抗導体に変えたり、スリット加工したりしていたが、ともにコストの上昇を招くという問題点があった。

本発明の目的は、変圧器のコスト上昇を抑制しつつ、変換器の高調波多重位相運転時の局所過熱を抑制し損失低減することができる変換器用変圧器を提供することにある。

本発明の１相分の変換器用変圧器は上記目的を達成するために、磁性鉄心と、この磁性鉄心の周囲に巻回された変換器側巻線とを備え、多重位相運転を行なう複数の交流／直流変換器に接続されて使用され、１つの交流／直流変換器に接続される１つの変換器側巻線は、複数の巻線ブロックから構成されていると共に、多重位相運転を行なう複数の交流／直流変換器に接続された複数の変換器側巻線の複数の巻線ブロックは、互いに隣接する位置に異なる交流／直流変換器に接続された巻線ブロックを配置した部分を含む。

また、複数の巻線ブロックは、磁性鉄心周囲の径方向と上下方向に複数配置され、かつ径方向と上下方向に隣接する巻線ブロックは、自己巻線ブロックが接続された変換器とは別の変換器に接続されている。

また、複数の巻線ブロックは、磁性鉄心周囲の径方向、または上下方向に一列に複数配置され、かつ径方向または上下方向に隣接する巻線ブロックは、自己巻線ブロックが接続された変換器とは別の変換器に接続されている。

本発明の１相分の変換器用変圧器は上記目的を達成するために、磁性鉄心と、この磁性鉄心の周囲に巻回された変換器側巻線とを備え、多重位相運転を行なう複数の交流／直流変換器に接続されて使用され、１つの交流／直流変換器に接続される１つの変換器側巻線は、複数の巻線ブロックから構成され、多重位相運転を行なう複数の交流／直流変換器に接続された複数の変換器側巻線の巻線ブロック数は６またはその倍数とされ、巻線ブロックは磁性鉄心周囲の径方向と上下方向に複数配置されるとともに、多重位相運転の多重化数に応じて巻線ブロックの接続端子間を外部接続する。

また、多重位相運転の多重化数に応じて巻線ブロックの接続端子間を外部接続するときに、複数の変換器側巻線の複数の巻線ブロックは、互いに隣接する位置に異なる交流／直流変換器に接続された巻線ブロックを配置した部分を含む。

以上説明したように本発明によれば、コスト上昇を招くことなく高調波多重位相運転時の局所過熱を抑制し損失低減することが可能な変圧器を得ることができる。また、巻線ブロック間の接続組み合わせの変更のみで巻線から発生する漏れ磁束を制御することができる。

本発明による変圧器の変換器用変圧器１相分の概略縦断面図。 変圧器と交直変換器の接続関係を示す図。 ２つの巻線を上下に直列配置したときの高調波漏れ磁束の状況を示す図。 ２つの巻線を２分割し、上下左右に行列配置したときの高調波漏れ磁束の状況を示す図。 変換器を２多重運転したときの変圧器内結線例を示す図。 変換器を３多重運転したときの変圧器内結線例を示す図。 変換器を６多重運転したときの変圧器内結線例を示す図。 変換器を２多重運転したときの他の変圧器内結線例を示す図。 変換器を３多重運転したときの他の変圧器内結線例を示す図。 ２つの巻線を２分割し、上下に直列配置した変圧器構造を示す図。 ２つの巻線を２分割し、上下に直列配置したときの高調波漏れ磁束の状況を示す図。 ２つの巻線を２分割し、左右に直列配置した変圧器構造を示す図。 ２つの巻線を２分割し、左右に直列配置したときの高調波漏れ磁束の状況を示す図。 従来の、変圧器の変換器用変圧器１相分の概略縦断面図。

以下、図面を使用して本発明について説明する。

以下、本発明による変圧器の一例を、図１に示す変換器用変圧器１相分の概略断面図に基づいて説明する。

本実施例における変圧器は、磁性鉄心５と、この磁性鉄心５の外周に巻回された直流側巻線群１０と、この直流側巻線群１０の外周に配置された交流側巻線１とを備えている。直流側巻線群１０は、第１の直流側巻線１２と、第２の直流側巻線１３とから構成されており、第１の直流側巻線１２と第２の直流側巻線１３とは、それぞれ異なる交直変換器に接続されている。また、磁性鉄心５の外側には、磁性鉄心５を保持するため、金属製の鉄心当板４が配置されている。

図２は、図１の変圧器と交直変換器の接続関係を示す図であり、この図も図１に倣い変換器用変圧器１相分を表示している。この図で、右側が交流系統側で交流側巻線１を備えている。また、左側が変換器側（直流電源側）で、直流側巻線群１０として、第１の直流側巻線１２と、第２の直流側巻線１３とを備え、かつ第１の直流側巻線１２と第２の直流側巻線１３とは、それぞれ異なる交直変換器１４、１５に接続されている。なお、直流側の複数の巻線あるいは、複数の変換器は、直列に接続されることも、並列に接続されることもある。また、直流側の巻線、変換器の台数は、図では２台としたがより多くの台数とすることができる。

ここでは、変換器側（直流電源側）から直流側巻線群１０を励磁して、交流側巻線１に交流電力を発生させる直交変換運転を行なう。なお、交直変換運転を行なうこともあるが、本発明の効果が得られるのは変換器側が電源側として動作する場合（変圧器を励磁する場合）であるので、以下の説明は直交変換運転を行なうことを前提とする。

本発明により解決すべき課題である変圧器の局所過熱や損失増大は、変換器を多重位相運転することで生じる。変換器の多重位相運転とは、変換器による励磁時に、商用周波数では２台の変換器を同位相運転するが、高調波では２台の変換器を逆位相運転（１８０度遅れ）することによりキャンセルし、交流側巻線１に高調波が現れないように対策する運転である。なお、３台の変換器で多重位相運転する場合には、互いに高調波の１２０度遅れで運転することになる。この運転は、交流側巻線１に高調波が現れないという効果があるが、変圧器の直流側巻線群１０で問題となる。

以上の問題点を踏まえ、本発明の特徴は、直流側巻線１２および直流側巻線１３が、それぞれ径方向に分割された巻線ブロック群から構成されている点にある。つまり、直流側巻線１２は、巻線ブロック間接続端子６を有する巻線ブロック２ａと２ｂにより構成し、同様に直流側巻線１３は巻線ブロック間接続端子６を有する巻線ブロック３ａと３ｂによりそれぞれ構成されている。そして、各々巻線ブロック間接続端子６を介して電気的に直列に接続されている。

このように、図の例では、直流側巻線１２と直流側巻線１３を各２個で構成し、合計４個の巻線ブロックで構成している。そのうえで、直流側巻線１２および１３において、内周側に配置された巻線ブロック２ａと巻線ブロック３ａの上下位置関係と、外周側に配置された巻線ブロック２ｂおよび３ｂの上下位置関係とが逆になるように各巻線ブロックを配置し接続する。このことにより、同一直流側巻線に属する各巻線ブロックが上下方向および径方向に隣接して配置されないようにしている。

図１は、交直変換システムにおいて変換器側で発生する高調波電流が交流側巻線１へ移行しないように、直流側巻線１２と１３とにそれぞれ逆位相の高調波電流２２ａ、２２ｂおよび２３ａ、２３ｂとを印加している状態(変換器が２台での多重位相運転、従って、高調波が逆位相)を示している。各巻線ブロック２ａ、２ｂおよび３ａ、３ｂの周囲には、高調波漏れ磁束３２ａ、３２ｂおよび３３ａ、３３ｂが矢印の方向に発生している。

図３は、巻線配置による高調波漏れ磁束の状況を示す図であり、（ａ）は直流側巻線１２および直流側巻線１３を分割せずに上下に配置したとき、（ｂ）は、図１の４個の巻線ブロック配置としたときの高調波漏れ磁束を示している。

分割せずに上下に配置したとき(図３（ａ）)、直流側巻線１２および直流側巻線１３の発生する高調波漏れ磁束を、その大きさがそれぞれ２とすると、巻線隣接部分では４の大きさの高調波漏れ磁束集中を生じることがわかる。これに対し、図３（ｂ）の分割巻線での高調波漏れ磁束は、直流側巻線１２および直流側巻線１３を２分割しているので、１個の巻線ブロックからの高調波漏れ磁束は、１の大きさであり、従って巻線隣接部分で２の大きさの高調波漏れ磁束集中を生じることがわかる。

このように、本発明によれば、巻線ブロック２ａおよび２ｂの周囲に発生する高調波漏れ磁束３２ａおよび３２ｂは、巻線ブロック２ａと２ｂとを隣接して配置した場合の約１／２の大きさとなり、これは、巻線ブロック３ａおよび３ｂの周囲に発生する高調波漏れ磁束１３ａおよび１３ｂでも同様である。

これにより、直流側巻線１２と１３との間に集中する高調波漏れ磁束量もまた、巻線ブロック２ａと２ｂ、ならびに巻線ブロック３ａと３ｂとをそれぞれ隣接して配置した場合の約１／２の大きさに緩和される。

直流側巻線１２と１３との間に集中する高調波漏れ磁束量が約１／２となることで、該高調波漏れ磁束が流れ込む鉄心当板４および交流側巻線１に発生する高調波渦電流も約１／２となり、その結果、鉄心当板４および交流側巻線１に発生する高調波漂遊損は約１／４に減少する。

なお、図１の実施例においては、直流側巻線１２を構成する巻線ブロック２ａと２ｂ、ならびに直流側巻線１３を構成する巻線ブロック３ａと３ｂが、それぞれ直列接続されているとしているが、並列接続とした場合でも同様の効果が得られる。

さらに、巻線ブロック２ａと３ａ、ならびに巻線ブロック２ｂと３ｂをそれぞれ同一寸法、形状とすることで、各巻線ブロックの配置を変えることなく、巻線ブロック間接続端子の接続状態を変更するだけで、同一直流側巻線に属する巻線ブロックを隣接配置させるかどうかを、さらには巻線ブロック間を直列接続するか並列接続するかを任意に変更することができる。

また、内径側巻線ブロック２ａおよび３ａと外径側巻線ブロック２ｂおよび３ｂとの隙間は、絶縁冷却媒体用流路としての役割を兼ねることが可能で、巻線の冷却効率を向上し温度上昇を抑制することができる。

さらに、第１の実施の形態においては、直流側巻線１２および１３を、それぞれ２つの巻線ブロックに分割しているが、より多くの巻線ブロックに分割することで一層の損失低減効果を得ることができる。

また、鉄心当板４が金属製でない場合や、鉄心当板４自体がない場合であっても同様の効果が得られる。

以上説明したように、本発明によれば、直流側巻線１２と１３に逆位相の高調波電流が印加された時の、両巻線間における高調波漏れ磁束の集中を緩和することができる。その結果、鉄心当板４の材質を絶縁物や高抵抗導体とする必要がなく、スリット加工という高コストな対策を施すことなく、局所過熱を抑制し、なおかつ高調波漂遊損を大幅に低減することが可能となる。

なお、以上の本発明の効果は、同一直流側巻線に属する各巻線ブロックが上下方向および径方向に隣接して配置されないようにしたことで達成されているが、単に４ブロックに分けたのみではこの効果は果たしえない。

例えば、内側に巻線２、外側に巻線３の巻線ブロックを２個ずつ配置した場合は、非分割の場合と同じになり、鉄心側への磁束集中が発生しない代わりに、上下方向への漏れ磁束が非分割の場合と同じになり、分割の効果が得られない。また、巻線２と巻線３を径方向に配置すると、インピーダンス等を同じにすることが困難になることが想定される。

次に、本発明の変圧器を製造するに当り、変圧器と接続されて使用される変換器側の事情も考慮した構成の変圧器とすることについて説明する。ここで、変換器側の事情とは、変換器の運転に際し、２多重、３多重、６多重運転を行ない得るということであり、変圧器側としては変圧器を製造するに当り、変換器の運転モードの変更に際し、その都度製品を準備するのではなく、標準的に対応できることが望ましい。

図４、図５および図６は、この課題に対し標準的に対応できる本発明による変圧器の構成例を示す、変換器用変圧器１相分の概略断面図である。

本実施例は、図１に示した実施例において、巻線ブロックを７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆの全６ブロックとすることで、変換器の２多重、３多重、６多重運転に対して、巻線ブロック間接続端子６の電気的接続を変更するだけで対応可能となる様子を示している。従って、変圧器を製造するときには、標準的には図６の構成の変圧器を製造し、変換器の多重運転モードが決定した時点で、図４、図５および図６の結線のいずれかを決定し、結線を外部的に実施することで標準的対応を可能とする。

係る結線のうち、まず図４は、変換器の２多重運転に対する巻線ブロック間接続例を示しており、巻線ブロック７ａ、７ｅ、７ｃを接続して一方の変換器側へ、巻線ブロック７ｄ、７ｂ、７ｆを接続して他方の変換器側へ接続している。なお、ここで、巻線ブロック７に示した接続端子６の位置は、鉄心５に近い側が巻き始め、鉄心５から遠い側が巻き終わりを示している。

なお、ここでは、同じ変換器に接続される全ての巻線ブロックが互いに隣接しないように巻線ブロック間を接続した例を示しているが、図７に示すように、巻線ブロック７ａ、７ｅ、７ｆを接続して一方の変換器側へ、巻線ブロック７ｄ、７ｂ、７ｃを接続して他方の変換器側へ接続するといったように、一部の巻線ブロックのみが隣接しない接続方法も可能であり、この場合であっても鉄心当板４へ流入する漏れ磁束を低減し、鉄心当板４に発生する漂遊損を低減することが可能である。

図５は、変換器３多重運転に対する巻線ブロック間接続例を示しており、巻線ブロック７ａ、７ｆを接続して第１の変換器側へ、巻線ブロック７ｄ、７ｃを接続して第２の変換器側へ、巻線ブロック７ｂ、７ｅを接続して第３の変換器側へ接続している。なお、この場合に、巻線ブロック７ｄ、７ｃを接続して第２の変換器側へ接続した部分の巻線ブロック７ｄ、７ｃは、上下関係にあるが、他の部分が隣接関係にあることで本発明の効果を奏している。

なお、変換器３多重運転の場合には、ここで示した巻線ブロック間接続の組み合わせ以外にも、任意の巻線ブロック間の接続組み合わせが可能である。例えば、全ての巻線を隣接関係にしないためには、図８に示すように、巻線ブロック７ａ、７eを接続して第１の変換器側へ、巻線ブロック７b、７eを接続して第２の変換器側へ、巻線ブロック７c、７aを接続して第３の変換器側へ接続することが考えられる。

また、図６は、変換器６多重運転に対する巻線ブロック間接続例を示しており、巻線ブロック７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆは、いずれも互いに接続されておらず、各々異なる変換器側へと接続している。

このように、巻線ブロック数を、想定される変換器多重数の公倍数と等しくしておくことで、変圧器の設置後であっても、変換器側の運転条件変更や多重数の変更などに対して、巻線ブロック間の接続状態を変更するだけで対応可能となる。

以上説明した、図１の実施例では、巻線２と巻線３をそれぞれ２分割し、合計４巻線ブロックを、行・列２巻線ブロックに構成し、上下、あるいは左右位置に隣接する巻線ブロックを異なる巻線のものにしたものである。さらに、図４から図８の実施例では、合計６巻線ブロックを、２行、３列に構成し、上下、あるいは左右位置に隣接する巻線ブロックを極力異なる変換器に接続したものである。

以上述べた構成は、いずれも巻線ブロックを左右・上下関係においたものであるが、本発明のほかの実施例では、複数巻線ブロックを、上下に、あるいは左右に配置することで、高調波漏れ磁束の集中を緩和する。

図９は、複数巻線ブロックを、上下に配置した本発明の実施例である。この例では、巻線２と巻線３の分割した各巻線ブロックについて、図９（ａ）に示すように、上から順次２ａ、３ａ、２ｂ、３ｂの順に配置する。図９（ｂ）はこのときの磁束集中の様子を示した図であり、各巻線ブロック間に集中する磁束は、図３（ｂ）の場合と同じように大きさが２となるので、集中が緩和されていることがわかる。

図１０は、複数巻線ブロックを、上下に配置した本発明の実施例である。この例では、巻線２と巻線３の分割した各巻線ブロックについて、図１０（ａ）に示すように、左から順次２ａ、３ａ、２ｂ、３ｂの順に配置する。図１０（ｂ）はこのときの磁束集中の様子を示した図である。この場合に磁束集中の方向は、鉄心当板４の方向ではなく、上下に向いているが、この点以外は各巻線ブロック間に集中する磁束は、図３（ｂ）の場合と同じように大きさが２となるので、集中が緩和されていることがわかる。

以上の説明は、直流側巻線の外周側に交流側巻線を配置した変換器用変圧器を例に説明したが、これらに限定されるものではなく、交流側巻線の外周側に直流側巻線を配置した変換器用変圧器や、通常の電力用あるいは配電用変圧器に対しても適用可能である。

以上の説明は、配電系統に用いられる変換器用変圧器を一例に説明したが、交直変換システムに用いられる変換器用変圧器全般、さらには発変電所用あるいは配電用変圧器全般に対しても本発明を適用することができる。

１…交流側巻線
２、３…直流側巻線
４…鉄心当板
５…磁性鉄心
６…巻線ブロック間接続端子
１０…直流側巻線群
１２、１３…直流側巻線
２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ…直流側巻線群を構成する巻線ブロック
７ａ〜７ｆ…直流側巻線群を構成する巻線ブロック
２２、２３…直流側巻線に流れる高調波電流
２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ…巻線ブロックに流れる高調波電流
３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ…巻線ブロック周囲に発生する高調波漏れ磁束。

Claims (5)

1. 磁性鉄心と、この磁性鉄心の周囲に巻回された変換器側巻線とを備え、多重位相運転を行なう複数の交流／直流変換器に接続されて使用される１相分の変換器用変圧器であって、
   前記１つの交流／直流変換器に接続される前記１つの変換器側巻線は、複数の巻線ブロックから構成されていると共に、前記多重位相運転を行なう複数の交流／直流変換器に接続された前記複数の変換器側巻線の複数の巻線ブロックは、互いに隣接する位置に異なる交流／直流変換器に接続された巻線ブロックを配置した部分を含むことを特徴とする変換器用変圧器。
2. 請求項１記載の変換器用変圧器において、
   前記複数の巻線ブロックは、前記磁性鉄心周囲の径方向と上下方向に複数配置され、かつ径方向と上下方向に隣接する巻線ブロックは、自己巻線ブロックが接続された前記変換器とは別の変換器に接続されていることを特徴とする変換器用変圧器。
3. 請求項１記載の変換器用変圧器において、
   前記複数の巻線ブロックは、前記磁性鉄心周囲の径方向、または上下方向に一列に複数配置され、かつ径方向または上下方向に隣接する巻線ブロックは、自己巻線ブロックが接続された前記変換器とは別の変換器に接続されていることを特徴とする変換器用変圧器。
4. 磁性鉄心と、この磁性鉄心の周囲に巻回された変換器側巻線とを備え、多重位相運転を行なう複数の交流／直流変換器に接続されて使用される１相分の変換器用変圧器であって、
   前記１つの交流／直流変換器に接続される前記１つの変換器側巻線は、複数の巻線ブロックから構成され、前記多重位相運転を行なう複数の交流／直流変換器に接続された前記複数の変換器側巻線の巻線ブロック数は６またはその倍数とされ、前記巻線ブロックは前記磁性鉄心周囲の径方向と上下方向に複数配置されるとともに、前記多重位相運転の多重化数に応じて巻線ブロックの接続端子間を外部接続することを特徴とする変換器用変圧器。
5. 請求項４記載の変換器用変圧器において、
   多重位相運転の多重化数に応じて巻線ブロックの接続端子間を外部接続するときに、前記複数の変換器側巻線の複数の巻線ブロックは、互いに隣接する位置に異なる交流／直流変換器に接続された巻線ブロックを配置した部分を含むことを特徴とする変換器用変圧器。

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